第一讲 计算思维概述知识交流
计算思维概述 ppt课件
第一章 计算思维基础知识
第一章 计算思维基础知识
主要内容 1.1 科学与科学思维 1.2 计算思维的概念 1.3 计算思维的核心概念和方法 1.4 计算思维的应用领域
思维本身让人沉醉……
计算思维除了给计算机技术带来变革，它还让 人们在探索的过程中体验和谐、对称、完备、 简洁等美学属性。
1.1 科学与科学思维
2）科学思维的分类 对应的三大科学研究的思维是理论思维、实验思维和计算思维。 理论思维：
又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。 实验思维：
又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科 为代表。 计算思维：
又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。
计算思维就是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究的目的是提供 适当的方法，使人们借助现代和将来的计算机，逐步实现人工智能的较高 目标。诸如：模式识别、决策、优化和自控等算法都属于计算思维的范畴。
三大思维都是人类科学思维方式中固有的部分。其中，理论思维强调 推理，实验思维强调归纳，计算思维希望能自动求解。他们以不同的方式 推动着科学的发展和人类文明的进步。
➢目的是培养学生像拥有阅读、写作和算术 （3R）基本技能一样拥有计算思维技能，并 能自觉地应用于日常的学习、研究与将来的 工作中，要像计算机科学家那样思考问题。
周以真：原美国卡内基·梅隆大学教授，2013年任微软全球资深副总裁、负责 微软研究院全球各核心研究机构及学术合作部 。2006年对计算思维进行了清晰、 系统的阐述，使计算思维的概念得到人们的极大关注。
• Design：building reliable software systems
评估---Evaluation 4类核心实践
第一章 计算机与计算思维概述
教学进度
1.1 计算机基础知识
(2) 机械式计算机
大学计算机基础
钟表业，特别是齿轮传动装置技术的发展，诞生了最早 的机械式计算机。 下面我们通过介绍几位对计算机发展有过突出贡献的早 期历史人物，阐述计算发展的历程。
帕斯卡
莱布尼茨
巴贝奇
爱达
机械式计算机时代的代表人物
教学进度
1.1 计算机基础知识
法 国 物 理 学 家 帕 斯 卡 (1623-1662) ： 在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由 齿轮组成，靠手摇发条驱动Leabharlann 用专用的铁笔 来拨动转轮以输入数字。
1.2.1 计算机硬件系统
大学计算机基础
以最为常见的台式机为例，从外观上看，台式机由几个 部件构成：显示器、键盘、机箱、鼠标等。实际上这些并不 是计算机最重要的部分。计算机最主要的工作实际上是由那 些被机箱遮盖住的部件完成的，它们才是计算机系统中最重 要的部分。 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设 备五大部分组成。(详见第三章介绍)
第四代计算机 采用集成电路的第三代电 子计算机IBM360型 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机
计算思维.doc
计算思维一．计算思维的定义计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
进一步地定义为：1．通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的方法；2．是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；3．是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法（S oc方法）；4．是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；5．是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；6．是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；7．是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。
计算思维吸取了问题解决所采用的一般数学思维方法，现实世界中巨大复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法，以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维方法。
二．计算思维的深层次理解1．计算思维的优点计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人由机器执行。
计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。
2．计算思维的内容计算思维最根本的内容，即其本质（Essence）是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。
计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是一类特例。
与数学和物理科学相比，计算思维中的抽象显得更为丰富，也更为复杂。
数学抽象的最大特点是抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性，而仅保留其量的关系和空间的形式，而计算思维中的抽象却不仅仅如此。
操作模式计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人由机器执行。
计算思维导论01-计算思维和计算
计算与自动计算
2．计算科学的基本问题 计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算， 什么不能被有效地自动计算？” (1)哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计 算的时间和空间复杂度怎样？ (2)通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法 ，以减少计算的时间和空间复杂度。
1.3 计算工具的发展史
2．计算机的雏形——机械式计算器
1. 机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解 算法.
2. 1642年，帕斯卡加法器 3. 1673年，莱布尼兹乘法器 4. 1822年，差分机 5. 库塔（Curta）
3．电子计算机
1. 电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动 执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。
1 计算思维和计算
天津科技大学 计算机公共基础系
1
目录
1.1 计算思维概述 1.2 计算与自动计算 1.3 计算工具的发展史
1.1计算思维概述
计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家 和工程技术人员的思维方法。
计算思维定义
美国CMU大学周以真教授： 计算思维是运用计算科学的基础概
念进行问题求解、系统设计以及人类行为 理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思 维活动。
1.3.2 元器件的发展
1. 元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个 阶段
第一讲：计算,计算机与计算思维
名词计算：不同于数学计算自动计算：规则可能很简单但计算量却很大，也可采用人的规则，一般性的规则可以推广应用。
元器件：晶体管用于储存0和1（ENIAC）集成电路：将一个电路的大量元器件（晶体管，电阻，电容，电感，布线等）集合于一个单晶片上制成的器件。
晶体管：泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括半导体二极管，半导体三极管，场效应管，可控硅等。
有时多指三极管。
二极管：一个PN结；三极管：两个很近的PN结。
计算机：台式机，便携机，嵌入在各种机器中的芯片，软件均属于计算机。
计算机包括软件和硬件。
计算机系统：包括输入，输出，控制器，运算器，存储器。
计算思维:蕴含在计算学科知识背后的具有贯通性和联想性的内容。
计算之树：见后面名言计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题，设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化。
~周以真思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑。
~战老师的课件你行的，你一定行！你懂的，你会懂的！~战老师重点1。
自动计算需要解决的问题：数据和计算规则（程序）的表示，存储以及程序的自动执行。
2。
机械计算发展历程：计算辅助工具（算盘等）--帕斯卡机械计算机（实现自动计算，但有固定的计算规则）--巴贝奇机械计算机（可有限变化的计算规则，即特定程序）--现代计算机（任意可变的计算规则，即一般程序）。
3。
摩尔定律：每十八个月芯片集成晶体管的能力增长一倍，其计算能力也增长一倍。
4。
元器件历程：电子管--晶体管--集成电路--超大规模集成电路（VLSI）特点：体积变小，速度变快，规模变大，可靠性变高，功能变强大。
5。
微处理器发展历程：字长（8-16-32-64），主频（几MHz-几百万MHz-几GHz)，晶体管数量（几万-几百万-几亿颗），功能（微处理器-微加协浮点运算-微加图GPU-微加3D-多媒体处理器-多核微处理器）6。
存储设备历程：汞延迟线-磁带磁芯磁鼓-半导体储存即ROM与RAM-磁盘即硬盘与软盘-光盘-固态硬盘-纳米存储与量子存储。
1.1计算思维概述1.5
14
EDVAC
大学计算机基础 培养计算思维
在ENIAC还没有完成时，1944年，它的设计
者们就开始了新的计算机的设计
1945年，冯•诺依曼提给出了“EDVAC报告的 第一份草案”(First Draft of a Report on the EDVAC)。确定了新机器有五个构成部分：
4
1.1什么是计算
大学计算机基础 培养计算思维
【讨论】什么是计算？
【例1-1】杂货店老板上个月的结余是多少？ 【例1-2】去年的平均气温是多少？ 【例1-3】有四个嫌疑人：
a说："我不是小偷。" b说："c是小偷。" c说："小偷肯定是d。" d说："c冤枉人！" 四人中有三人说的是真话，问到底谁是小偷？
算用于求解问题的函数。 y=f(x)
能不能确定，怎样确定加工过程，如何实现加工过程?
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2.可计算和不可计算
大学计算机基础 培养计算思维
如果一个函数，可以依据输入值和一定的计算 步骤，来确定其输出值，则称其为可计算的 （computable）；
而如果根据其输入找不到定义好的、一步一步 的过程来确定其输出值，这样的函数称为不可 计算的(uncomputable)
大学计算机基础 培养计算思维
1.什么是计算 2.计算工具的发展和电子计算机 3.计算科学 4.计算思维
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教学目标
大学计算机基础 培养计算思维
掌握如下概念和知识点
什么是计算？ 什么是可计算的，什么是不可计算的？ 历史上的计算工具与电子计算机有哪些共同的思想? 计算科学的根本问题有哪些？ 计算科学与计算思维对我们有什么影响？
计算思维的基础知识
➢ 计算思维是利用启发式推理寻求解答,也即在不 确定情况下的规划、学习和调度的思维方法.
➢ 计算思维是利用海量数据来加快计算,在时间和 空间之间,在处理能力和存储容量之间进行折中 的思维方法.
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计算思维 基础知识
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
一、科学的概念
达尔文对科学定义：科学就是整理事实,从中 发现规律并做出结论.
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科,它既是一门理论性很强的学 科,又是一门实践性很强的学科.
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学.
实验思维又称实证思维,它以观察和总结自然规律 为特征,以物理学科为代表.
计算科学←→计算思维
计算思维又称构造思维,它以设计和构造为特征,以 计算机学科为代表.
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计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
一、计算思维的定义
计算思维<Computational Thinking,CT>
周以真认为：计算思维是运用计算机科学的 基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为 的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动.
第一讲 计算思维概述
问题求解中的计算思维
实用文档
• 有铺一座路城问市题需
要铺路，不仅 每栋房子都能 沿着铺好的道 路到达其他所 有的房子，而 且用的石砖最 少。
• 设有三栋房子
和三条路，哪
些路是必须要
铺上石砖的？
பைடு நூலகம்
实用文档
• 如果是5栋房子？
1
2
3
4
5
实用文档
B
A
C
D 1E
实用文档
警察抓小偷
警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其 中只有一人是小偷，审讯记录如下：
•“计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出的一种 理论。 •周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解 问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一 周M系以. 列W真i思n（g维英，文活）名，动J美e。a国nn计e算tte
机科学家。卡内基-梅隆大 学教授。美国国家自然基金 会计算与信息科学工程部助 理部长。ACM和IEEE会士。
实用文档
计算思维的特性
4 数学和工程思维的互补与融合。
计算机科学在本质上源自数学思维，构建虚拟世界的自 由使我们能够超越物理世界去打造各种系统。
实用文档
计算思维的特性
5 是思想，不是人造品。
面向所有的人，所有地方
不只是我们生产的软件、硬件等人造品将以物理形式 到处呈现并时时刻刻触及我们的生活，更重要的还有将我 们用以接近和求解问题、管理日常生活、与他人交流和互 动时计算性的思想；而且，面向所有的人，所有地方。
囚徒困境——博弈策略建模
石头剪刀布游戏的博弈模型
•石头剪刀布是一种相互制约的多元博弈游戏，它是最平衡
的游戏。
计算思维的基讲义础知识
我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一， 因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为 研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究 那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高 级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验 更有效的机翼计算试验。
能动性 不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世 界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度， 还能制造宇宙飞船飞向太空。
分类：理论计算机科学、应用计算机科学。
计算机学科/Computer Discipline：即计算机科 学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算 机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、 原则、方法和技术的学科。
计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技 术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法 和技术手段。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
2100959：3：计高算科性学能-计-确算保与美通国的信竞--争H力PC报C计告划建议：应将计 算1科99学6：长加期置速于战国略家计科算学创与技新术--领A域SC中I计心划的领导地位。 200计2：算高科学性是能运计用算高系级统计算--能HP力C来S计理划解和处理复杂问
精品
计算思维的基础知识
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
一、科学的概念
达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从 中发现规律并做出结论。
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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计算思维 基础知识
计算思维导论
计算思维导论计算思维是一种抽象、逻辑、系统化思维方式，它以计算机科学为基础，将计算机科学中的思维方法与其他领域的问题解决方法相结合，形成了一种独特的思考模式。
计算思维导论是对计算思维的概念、原理和应用进行系统阐述和讲解的学科。
一、计算思维的定义与特点计算思维是一种基于计算机科学的思维方式，它注重抽象、逻辑和系统化思考。
计算思维的特点包括：1. 抽象能力：计算思维能够将问题中的复杂、具体的实例抽象成更一般化、抽象化的模型，从而更好地理解和解决问题。
2. 逻辑思维：计算思维强调使用逻辑推理和严密的思维方式，通过分析问题的因果关系、逻辑结构等，找出解决问题的方法。
3. 系统化思维：计算思维注重整体观念，将问题分解成多个部分，并通过系统化的方式进行分析和解决。
二、计算思维的应用领域计算思维广泛应用于各个领域，包括科学研究、工程设计、经济管理、艺术创作等。
以下是计算思维在不同领域的应用示例：1. 科学研究：计算思维在科学研究中能够帮助科学家分析实验数据、构建模型、进行模拟和预测，推动科学研究的进展。
2. 工程设计：计算思维在工程设计中能够帮助工程师进行系统性思考，分析问题的复杂性、确定最优解决方案，并通过计算机辅助设计工具实现设计目标。
3. 经济管理：计算思维在经济管理中能够帮助经济学家和管理者进行数据分析、建立经济模型、制定决策策略，提高管理效率和决策质量。
4. 艺术创作：计算思维在艺术创作中能够帮助艺术家进行创意思维、图像处理、音乐合成等，推动艺术创作的创新和发展。
三、计算思维的培养方法计算思维是一种可以培养和发展的思维方式，以下是一些培养计算思维的方法：1. 学习编程：编程是培养计算思维的一种重要方式，通过编程可以锻炼抽象、逻辑和系统化思考能力。
2. 解决问题：积极参与问题解决过程，培养分析问题、提出解决方案和评估效果的能力。
3. 逻辑推理：学习逻辑学和数理逻辑的基本原理，培养逻辑推理能力。
4. 模型建立：学习建立模型的方法，将实际问题抽象成适当的数学模型，进行分析和求解。
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如果是5栋房子？
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B
A
C
D 1E
警察抓小偷
警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其 中只有一人是小偷，审讯记录如下：
A说：我不是小偷 B说：c是小偷 C说：小偷肯定是d D说：c在冤枉人
四个人中，三个人说的是真话，一个人说的是假话， 请问谁是小偷？
编程
For x=1 to 100 For y=1 to 100 Z=100-x-y If 5*x+3*y+z/3=100 then Print x,y,z End if Next for
Next for
计算思维能够反映人类思维活动，高效执行。
计算机解题方法
计算机解决问题步骤：
理解问题，寻找解决问题的条件； 从问题抽象出适当的数学模型，然后设计解决这个数学模型
计算改变了世界
美国学者尼葛洛庞帝在其 1996年出版的《数字化生 存》一书中提出的，按照 他的解释，计算不再只与 计算机有关，它决定我们 的生存。
尼葛洛庞帝 （Negroponte）为美国麻 省理工学院教授及媒体实验室的创办人。 西方媒体推崇他为电脑和传播科技领域 最具影响力的大师之一， 1996年7月被 《时代》周刊列为当代最重要的未来学 家之一。
数学机械化改变着数学家的思考方式
数学机械化，就是刻板化和规格化。---吴方法（吴文俊） 数学问题的机械化，就是要求在运算或证明过程中，每 前进一步之后，都有一个确定的、必须选择的下一步， 这样沿着一条有规律的、刻板的道路，一直达到结论。
吴文俊-中科院资深院士
吴先生创立了初等几 何定理证明的机械化 方法，国际上称“吴 方法”，首次实现了 高效的几何定理的机 器证明。
问题分析
数学建模
计算
编程实现
For x=1 to 4 If (x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3) then Print x
Next x
百元买白鸡
公鸡每只5元，母鸡每只3元，小鸡一元3只， 一百元买一百只鸡，问有几种买法？
问题分析： X+Y+Z=100 5X+3Y+/3=100
周以真（英文名Jeannette M. Wing，），美国计算 机科学家。卡内基-梅隆大 学教授。美国国家自然基金 会计算与信息科学工程部助 理部长。ACM和IEEE会士。
问题求解中的计算思维
铺路问题
有一座城市需要 铺路，不仅每 栋房子都能沿 着铺好的道路 到达其他所有 的房子，而且 用的石砖最少。
第一讲 计算思维概述
一、计算改变了什么
一．计算改变了科学家的思考方式
计算生物学改变着生物学家的思考方式 数学机械化改变着数学家的思考方式 计算博弈理论改变着经济学家的思考方式 社会计算改变社会学家的思考方式
计算生物学改变着生物学家的思考方式
最典型的案例： 人类的基因工程----耗时10年，耗资数百亿美元。 散弹枪算法提出来后，用于基因测序----耗时几天，耗 资千把美元就能测一个基因。 （因为大量的繁杂的工作由计算机完成，大大解放了生 物学家，从而改变着生物学家的思考方式）
的算法； 按照算法编写程序，并调试、测试、运行程序，得到最终解
答。
系统设计中的计算思维
将系统中的变换过程映射为符号变换——形式化， 然后就可以用计算机进行处理。
重要理论 抽象
自动化
计算思维的本质： 抽象、自动化（程序、算法）
计算思维能力： 建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解 问题的可求解性。 问题抽象、模型建立、算法设计、实现
策略
A沉默（合作）
B沉默（合作） 二人同服刑1年
A认罪（背叛） A即时获释；B服刑10年
B认罪（背叛） A服刑10年；B即时获释 A和B二人同服刑8年
囚徒困境——博弈策略建模
囚徒的策略选择困境
两名囚徒的选择： （1）若对方沉默，背叛会让我获释，所以我会选择背叛。 （2）若对方背叛我，我也要指控对方才能得到较低刑期， 所以选择背叛。 结果：两人都选择背叛，结果二人服刑8年。
社会计算改变社会学家的思考方式
根据社会科学理论，以计算技术为工具，可以： 研究人类社会的组成、关系、结构、层次、行为、运动 等问题；研究社会媒体，促进社会人群的交流与合作。
一、计算改变了什么
二．计算改变了工作方式
数字化会议 数字化医疗 数字化教学 数字化制造
数字化会议
数字化医疗
数字化教学
数字化制造
囚徒困境——博弈策略建模
囚徒困境问题描述
警方逮捕了A、B两名嫌疑犯，但没有足够证据指控二人有罪。 于是警方分开囚禁嫌疑犯，并向双方提供以下相同的选择 （如表所示）： （1）如果一人认罪并检控对方（背叛），而对方保持沉默， 则此人将获释，沉默者将判监禁10年。 （2）如果二人都保持沉默（合作），则二人同样判监1年。 （3）如果二人都互相检举（背叛），则二人同样判监8年。
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二、什么是计算
计算的定义：
计算是指运用事先规定的规则，将一组数值变换为另一(所需 的)数值的过程。 ➢对某一类问题，如能找到一组确定的规则，当给出这类问 题中的任一具体问题后，按规则可以完全机械地在有限步内 求出结果，则说这类问题是可计算的。这种规则就是算法。
猜数游戏：有自然数1--1000，随机选取其中 的一个数，请大家猜数。
回答10次是与否，就可以猜出该数字。
二分查找法
3.计算思维的特征
计算工具与思维方式的相互影响 家迪科斯彻：我们使用的工具影响着我们的 思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响 着我们的思维能力。
计算思维是各个专业求解问题的基本途径。
3. 计算思维的特征
计算思维的定义
“计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出的一种 理论。 周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解 问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一 系列思维活动。
计算博弈理论改变着经济学家思考方式
博弈论指的是研究人与人之间行为互动的一般理 论。所谓社会，就是互动。 1943年，冯•诺依曼《博弈论和经济行为》著作 首次介绍了博弈论。 博弈论：两人以上参与，双方通过不同策略相互 竞争的游戏。 博弈：一方采用的策略会对另一方的行为产生影 响。 计算思想在诺贝奖获奖理论中占到70%以上的比 例。